انتقال HVDC

افزایش انتقال AC
در انتقال توان الکتریکی، انتقال به روش DC بیش از آنکه یک قاعده باشد یک استثناست. محیط هایی وجود دارد که سیستم انتقال جریان مستقیم در آنها راه حل متعارف است مانند کابل های زیر دریا و در اتصالات بین سیستم های غیر سنکرون (با فرکانس های مختلف). اما برای اغلب شرایط موجود انتقال توان به صورت جریان متناوب کماکان مناسب است.
در تلاش های اولیه انتقال توان الکتریکی، از جریان مستقیم استفاده می شد. اما به هر حال در این دوران سیستم جریان متناوب برای انتقال توان بین نیروگاه ها و ماشین آلات استفاده کننده از این انرژی بر سیستم انتقال توان جریان مستقیم فائق آمد. مزیت اصولی سیستم جریان متناوب قابلیت استفاده از
ترانسفورماتور برای انتقال موثر سطح ولتاژ به کار رفته در توان انتقالی بود.
با توسعه ماشین های جریان متناوب موثر، مانند موتور القایی، استفاده از جریان متناوب معمول شد.

توانایی انتقال سطح ولتاژ یک امر مهم اقتصادی و فنی است که بایستی مد نظر قرار گیرد، با وجود اینکه ولتاژهای بالا سخت تر مورد استفاده واقع می شوند و خطرناک تر هستند، اما سطح جریان پایین تری که برای ولتاژ های بالا مورد نیاز است، برای یک سطح توان معین منجر به استفاده از کابل های کوچکتر و تلفات توان کمتری به صورت گرما می شود. انتقال توان همچنین می تواند توسط ولتاژ حداکثر محدود شود.
یک خط جریان مستقیم که در ولتاژ حداکثری برابر یک خط جریان متناوب کار می کند، می تواند توان بسیار بیشتری را به نسبت جریان متناوب تحت این محدودیت ولتاژ حمل کند. بنابراین با مناسب بودن ولتاژ بالا برای انتقال توان زیاد و مناسب بودن ولتاژ پایین تر برای بهره برداری های صنعتی و داخلی، استفاده از سیستم جریان متناوب به دلیل قابلیت تبدیل سطح ولتاژ آن به سطوح مختلف، برای انتقال توان عام شد.
هیچ وسیله معادلی برای ترانسفورماتور در جریان مستقیم وجود ندارد و بنابراین به کارگیری ولتاژ مستقیم بسیار مشکل تر است.


مزیت های HVDC بر انتقال جریان متناوب
علی رغم اینکه سیستم انتقال توان جریان متناوب غالب است اما در برخی از کاربردها، HVDC ترجیح داده می شود:
· تلفات کرونا . تداخل رادیویی در HVDC کم تر از HVAC است به همین دلیل کابلهای DC ارزان تر از کابل های AC هستند.
· قدرت انتقالی از یک خط DC را می توان به راحتی توسط تریستورهای یکسو کننده آن کنترل کرد.
· تلفات خطوط DC کمتر از AC است زیرا اولا Rac>Rdc ثانیا جریان راکتیو در خطوط DC وجود ندارد

  • کابل های زیر دریاانتقال توان زیاد در مسافت های بلند از یک نقطه به یک نقطه دیگر و بدون تپ های میانی، برای مثال در مناطق دور افتاده.
  • افزایش ظرفیت یک شبکه برق در شرایطی که نصب سیم های اضافی مشکل زا یا هزینه بردار است.
  • امکان انتقال توان بین سیستم های توزیع غیر سنکرون جریان متناوب.
  • کاهش سطح مقطع سیم کشی و دکل های برق برای یک ظرفیت انتقال دادهشده. HVDC می تواند در هر هادی توان بیشتری را انتقال دهد چرا که برای یکتوان نامی داده شده ولتاژ ثابت در یک خط جریان مستقیم پایین تر از حداکثرولتاژ در یک خط جریان متناوب است. این ولتاژ ضخامت عایق و فاصله گذاری بینهادی ها را تعیین می کند.

اتصال نیروگاه های معین به شبکه توزیعپایدار کردن شبکه های برقی که بیشتر AC هستند. خطوط بلند زیر دریا دارایظرفیت خازنیبالایی هستند. این امر موجب می شود که توان جریان متناوب به سرعت و به شدت به صورت تلفاتراکتیوودی الکتریکحتی در کابل های با طول ناچیز تلف شود. HVDC می تواند توان بیشتری در هرهادی انتقال دهد چرا که برای یک توان نامی ولتاژ ثابت در یک خط جریانمستقیم پایین تر از ولتاژ حداکثر یک خط جریان متناوب است. این ولتاژ تعیینکننده ضخامت عایق به کار رفته و فاصله بین هادی هاست. این روش، استفاده ازسیم ها ومسیرهای موجود را برای انتقال توان بیشتر در منطقه ای که مصرف توانش بالاتر است را ممکن می سازد و موجب کاهش هزینه ها می شود.
کاربردهای ولتاژ فشار قوی DC
1-انجام کارهای تحقیقاتی و مطالعاتی بر روی عایق ها
2-در فیزیک برای شتاب دهنده ها(به طور مثال برای شتاب دادن پروتون یا الکترون در تلویزون)
3-در زشکی برای تولید اشعه X
4-در صنایع برای فیلتر کردن دود خروجی نیروگاههای حرارتی و کارخانجات سیمان و پاشیدن رنگ
5-در مخابرات برای استگاه های پخش تلویزونی
6-برای آزمایش کابل فشار قوی AC با طول زیاد(در صورت آزمایش با برق AC ظرفیت خازنی کابل به علت طول زیلد آن بالا رفته و جریان زیادی نیاز خواهیم داشت
مزیت های احتمالی بهداشتی سیستم HVDC بر سیستم جریان متناوب
برای مدتی این گمان وجود داشت که بین میدان القایی یک جریانمتناوب (خصوصاً در فرکانس های عمومی خطوط که 50 و 60 هرتز است) و امراضخاصی ارتباط وجود دارد. یکی از خواص سیستم جریان مستقیم این است که دیگرچنین میدان های مغناطیسی متناوبی وجود ندارند. اخیرا در مطالعاتآزمایشگاهی نشان داده شده است که چنین میدان های متناوبی منجر به افزایشاشباعرادیکال های آزاددر جرمخونحیوانات می شود (این افزایش می تواند توسطآنتی اکسیدان هاجلوگیری شود). رادیکال های آزاد به عنوان علل احتمالی تعدادی از بیماری هاشناخته شده اند. مزایای این سیستم تنها شامل آنهایی می شود که در معرضخطوط انتقال زندگی می کنند چرا که مشکلات احتمالی میدان های مغناطیسی باانتقال جریان متناوب جریان زیاد و نیز ترانسفورماتورها،موتورها وژنراتورهایمرتبط با این جریان و حتی وسایل خانگی عادی مانند ماشین اصلاح الکتریکی با سیم پیچ و (خصوصا) مسواک های الکتریکی که به صورتالقاییشارژ می شوند، ارتباط دارد.
اتصالات بین شبکه های جریان متناوب
با به کار گیری فن آوریتریستورتنهاشبکه های جریان متناوب سنکرونرا می توان به هم متصل کرد؛ یعنی شبکه هایی که با سرعت یکسان و فاز مشابهنوسان می کنند. بسیاری از مناطقی که مایل به اشتراک گذاشتن توان هایشانهستند دارای شبکه ای غیر سنکرون هستند. ارتباطات جریان مستقیم به چنین مناطقی این امکان را می دهد که به هممتصل شوند. اما بهر حال سیستم های جریان مستقیمی که بر پایه ترانزیستورهای IGBT هستند اتصال سیستم های غیر سنکرون جریان متناوب را ممکن می سازند ونیز امکان کنترل ولتاژ متناوب و عبور توان راکتیو را فراهم می آورند. حتییکشبکه سیاهرا می توان به این روش به شبکه مورد نظر متصل کرد.
سیستم های تولید توان نظیرباتری های فتو ولتاییتولید جریان مستقیم می کنند. توربینهای آبی و بادی تولید جریان متناوبی در فرکانسی وابسته به سرعت شاره ای کهآنرا به حرکت در می آورد، می کنند. در حالت اول جریان مستقیم ولتاژ بالارا می توان مستقیما برای انتقال توان به کار برد. در حالت دوم ما دارای یکسیستم غیر سنکرون هستیم که به همین دلیل پیشنهاد می شود که از یک اتصالجریان مستقیم استفاده کنیم. در هر یک از این حالات ممکن است که تشخیص دادهشود که انتقال HVDC مستقیما ازنیروگاهتولید کننده به کار ببرند به ویژه در صورتی که سیستم در مناطق نامساعد قرار داشته باشد.
به طور کلی یک خط توان HVDC دو منطقه جریان متناوب از شبکه توزیع برق را به هم متصل
می کند.سیستم آلات تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم گران هستند و هزینه قابل توجهی را در انتقال توان به خود اختصاص می دهند. تبدیل از جریان متناوب به جریان مستقیم رایک سو سازیو تبدیل از جریان مستقیم به جریان متناوب رااینورژنمی نامند. برای فاصله ای بیش از یک فاصله معین ( که حدود 50 کیلومتر برایکابل های زیر دریا و احتمالا 600 تا 800 کیلومتر برای کابل های هوایی است) کاهش هزینه ناشی از به کار گیری تجهیزات الکترونیک قدرت برای سیستم جریانمستقیم از هزینه این تجهیزات بیشتر است و عملا به کاربری این سیستم درخطوط هوایی بسیار بلند مقرون به صرفه است. چنین فاصله ای که در آن هزینهها با درآمد ها برابر می شود را یکفاصله یربه یر (مساوی) می نامند. علم الکترونیکهمچنین اجازه این را به ما می دهد که توسط کنترل اندازه و جهت جریان توان، شبکهبرق را مدیریت کنیم. بنابراین یک مزیت اضافی وجود ارتباطات HVDC پایداری افزایش یافته بالقوه در شبکه انتقال است.


یک سو سازی و اینورت کردن
سیستم های اولیه ازیک سو سازهای آرک ـ جیوه استفاده می کردند که قابل اعتماد نبودند. برای اولین بار شیرهایتریستوریدر 1960مبه کار گرفته شدند. تریستور یکنیمه هادیحالت جامد مشابه دیود است اما با یک ترمینال کنترلی اضافی که از آن در یکلحظه معین در سیکل جریان متناوب برای دادن فرمان به تریستور استفاده میشود. امروزه ازترانزیستوردو قطبی گیت عایق شده (IGBT) نیز به جای تریستور استفاده می شود. به دلیل اینکه ولتاژ در HVDC گاهاً حول 500 کیلو ولت است و از ولتاژشکست دستگاه های نیمه هادی بیشتر است، مبدل های HVDC با استفاده از تعدادزیادی نیمه هادی ساخته می شوند که سری شده اند. با این کار عملا ولتاژی کهروی هر نیمه هادی می افتد کاهش می یابد و می توان از نیمه هادی های باولتاژ شکست پایین تر که ارزان تر نیز هستند استفاده کرد. برای دادن فرمان به تریستور ها نیاز به یک مدار فرمانی داریم که باولتاژی پایین عمل می کند و می بایست از مدار ولتاژ بالای سیستم جدا شود. این کار معمولا به صورت اپتیکی یا نوری انجام می شود. در یک سیستم کنترلهایبرید تجهیزات الکترونیکی ولتاژ پایین پالس های نوری را در طول فیبرهاینوری به بخش ولتاژ بالا کنترل الکترونیکی ارسال می کنند. یک عنصر کلید زنی کامل بدون در نظر گرفتن ساختارش عموما یک شیر خوانده می شود.
سیستم های یک سو سازی و اینورتری
یک سوسازی و اینورژن اساسا یک مکانیزم را دارا هستند. بسیاری ازپست های برق بگونه ای ساخته شده اند تا بتوانند هم به صورت یک سوساز و همبه صورت اینورتر عمل کنند. در سر جریان متناوب یک دسته از ترانسفورماتورها قرار داده می شوند کهاغلب سه ترانسفورماتور تک فاز جدا از هم هستند که ایستگاه مورد نظر را ازتغذیه جریان متناوب جدا می کنند تا بتوانند یک زمین محلی را ایجاد کنند ونیز تا یک ولتاژ مستقیم نهایی صحیح را تضمین کنند. سپس خروجی این سهترانسفورماتور به یک پل یک سوساز شامل تعدادی شیر وصل می شود. ساختار اصلیشامل شش شیر است که هر سه شیر هر سه فاز را به یکی از دو سر ولتاژ مستقیموصل می کند. اما به هر حال در این سیستم، به دلیل اینکه هر 60 درجه یکتغییر فاز داریم یا به عبارتی یک ولتاژ شش پالسه داریم، هارمونیک های اینولتاژ هم قابل ملاحضه اند.
یک ساختار بهبود یافته این سیستم از 12 شیر (که اغلب به عنوان سیستم 12 شیره شناخته شده) استفاده می کند. در این سیستم جریان متناوب ورودی راقبل از ترانسفورماتور ها به دو بخش تقسیم می کنیم. یک بخش را به یکاتصال ستاره از ترانسفورماتورها اعمال می کنیم و بخش دیگر را به یک اتصال مثلثاز ترانسفورماتورها در نظر می گیریم. در این صورت شکل موج خروجی این دوترانسفورماتور سه فاز با هم 30 درجه اختلاف فاز خواهد داشت. حال 12 شیریکه داریم هر یک از این دو دسته سه فاز را به ولتاژ مستقیم وصل می کنند ودر این صورت هر 30 درجه یک تبدیل فاز خواهیم داشت، یا یک ولتاژ 12 پالسهخواهیم داشت که این به معنی کاهش قابل ملاحضه هارمونیک ها است. علاوه بر تغییر دادن ترانسفورماتورها و شیرها، می توان توسط اجزاراکتیو، پسیو و مقاومتی مختلفی برای حذف هارمونیک های موجود بر روی ولتاژمستقیم استفاده کرد.


نگرش کلی
قابلیت کنترل پذیری عبور جریان از طریق یک سو سازها واینورتورهای HVDC ، کاربرد آنها در اتصالات بین شبکه های غیر سنکرون وکاربرد آنها در کابل های کارای زیر دریا به این معنی است که کابل های HVDC اغلب در مرزهای ملی و برای مبادلات توان به کار می برند. نیرو گاه های بادیداخلآب نیز نیازمند کابل های زیر دریا هستند وتوربینهای آنها نیز غیر سنکرون. از خطوط انتقال HVDC می توان در برقراری اتصالاتبسیار بلند بین تنها دو نقطه استفاده کرد، برای مثال اطراف اجتماعات دورافتادهسیبری،کاناداو شمالاسکاندیناویکه در این صورت کاربرد این سیستم که دارای هزینه های کمتر از خطوط معمولی است منطقی به نظر می رسد.